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LED照明
为节能减排，生活中的照明灯逐步由白炽灯替换为LED灯.如图甲所示为某款家用LED吸顶灯，其结构主要由12颗发光二极管组成的灯带和LED驱动器组成.
发光二极管主要由硅、砷等材料制成，具有光效高、寿命长、无闪烁等优点，还具有单向导电性，如图乙所示是发光二极管的元件实物及符号，当电流从它的正极流入时，处于通路状态，反之处于断路状态.把图甲灯带中一颗发光二极管接入图丙电路，调节变阻器滑片，记录多组电压、电流数据，描绘出如图丁所示的$I-U$图像.
LED驱动器的输入端直接接入家庭电路，输出端连接灯带.驱动器会根据发光二极管的接入个数和连接方式，智能调控“恒流”输出值或“恒压”输出值模式，以确保每个二极管正常发光.图甲吸顶灯配置的LED驱动器参数如下表，其中驱动效率指其输出功率和输入功率的比值.
输入电压 220 V 输出电流 1～4 A
输出电压 15～25 V 驱动效率 90％
(1)发光二极管主要由
(2)分析图丙、丁，下列判断正确的是
A. 二极管的电阻随两端电压的增大而增大
B. 二极管的电功率随两端电压的增大而减小
C. 图丙中闭合开关S，滑片P左移，电压表示数增大
D. 图丙中对调电源正负极再闭合S，电压表示数为零
(3)已知图丙中电源电压恒为4.5 V，发光二极管额定电压为3.0 V.为确保正常照明，12颗二极管应
(4)经测试一间教室中20盏白炽灯全部打开，照明1 min，标有“$1\ 200\ \mathrm{r/(kW· h)}$”的电能表转盘转了16 r.现全部更换成该款吸顶灯照明，平均每天照明10 h，求一间教室平均每月(按30天计)能节省的电能.(写出计算过程)
LED照明
为节能减排，生活中的照明灯逐步由白炽灯替换为LED灯.如图甲所示为某款家用LED吸顶灯，其结构主要由12颗发光二极管组成的灯带和LED驱动器组成.
发光二极管主要由硅、砷等材料制成，具有光效高、寿命长、无闪烁等优点，还具有单向导电性，如图乙所示是发光二极管的元件实物及符号，当电流从它的正极流入时，处于通路状态，反之处于断路状态.把图甲灯带中一颗发光二极管接入图丙电路，调节变阻器滑片，记录多组电压、电流数据，描绘出如图丁所示的$I-U$图像.
LED驱动器的输入端直接接入家庭电路，输出端连接灯带.驱动器会根据发光二极管的接入个数和连接方式，智能调控“恒流”输出值或“恒压”输出值模式，以确保每个二极管正常发光.图甲吸顶灯配置的LED驱动器参数如下表，其中驱动效率指其输出功率和输入功率的比值.
输入电压 220 V 输出电流 1～4 A
输出电压 15～25 V 驱动效率 90％
(1)发光二极管主要由
半导体
(选填“导体”“半导体”或“超导体”)材料制成；LED驱动器应输出直流
(选填“直流”或“交流”)电.(2)分析图丙、丁，下列判断正确的是
C
(填字母).A. 二极管的电阻随两端电压的增大而增大
B. 二极管的电功率随两端电压的增大而减小
C. 图丙中闭合开关S，滑片P左移，电压表示数增大
D. 图丙中对调电源正负极再闭合S，电压表示数为零
(3)已知图丙中电源电压恒为4.5 V，发光二极管额定电压为3.0 V.为确保正常照明，12颗二极管应
并联
(选填“串联”或“并联”)，工作中驱动器会选择恒流
(选填“恒压”或“恒流”)输出模式，此吸顶灯的额定输入功率为8
W.(4)经测试一间教室中20盏白炽灯全部打开，照明1 min，标有“$1\ 200\ \mathrm{r/(kW· h)}$”的电能表转盘转了16 r.现全部更换成该款吸顶灯照明，平均每天照明10 h，求一间教室平均每月(按30天计)能节省的电能.(写出计算过程)
答案
半导体
直流
C
并联
恒流
8
解：首先计算20盏白炽灯的总功率：
电能表转16r消耗的电能：$W_1=\frac{16}{1200}\ \mathrm{kW·h}=\frac{1}{75}\ \mathrm{kW·h}$
时间$t_1=1\ \mathrm{min}=\frac{1}{60}\ \mathrm{h}$
白炽灯总功率：$P_1=\frac{W_1}{t_1}=\frac{\frac{1}{75}\ \mathrm{kW·h}}{\frac{1}{60}\ \mathrm{h}}=0.8\ \mathrm{kW}$
30天白炽灯消耗的电能：$W_{\mathrm{白}}=0.8\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=240\ \mathrm{kW·h}$
20盏吸顶灯的总功率：$P_{\mathrm{LED}}=20×8\ \mathrm{W}=160\ \mathrm{W}=0.16\ \mathrm{kW}$
30天吸顶灯消耗的电能：$W_{\mathrm{LED}}=0.16\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=48\ \mathrm{kW·h}$
节省的电能：$\Delta W=240\ \mathrm{kW·h}-48\ \mathrm{kW·h}=192\ \mathrm{kW·h}$
答：一间教室平均每月(按30天计)能节省的电能为$192\ \mathrm{kW·h}$
直流
C
并联
恒流
8
解：首先计算20盏白炽灯的总功率：
电能表转16r消耗的电能：$W_1=\frac{16}{1200}\ \mathrm{kW·h}=\frac{1}{75}\ \mathrm{kW·h}$
时间$t_1=1\ \mathrm{min}=\frac{1}{60}\ \mathrm{h}$
白炽灯总功率：$P_1=\frac{W_1}{t_1}=\frac{\frac{1}{75}\ \mathrm{kW·h}}{\frac{1}{60}\ \mathrm{h}}=0.8\ \mathrm{kW}$
30天白炽灯消耗的电能：$W_{\mathrm{白}}=0.8\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=240\ \mathrm{kW·h}$
20盏吸顶灯的总功率：$P_{\mathrm{LED}}=20×8\ \mathrm{W}=160\ \mathrm{W}=0.16\ \mathrm{kW}$
30天吸顶灯消耗的电能：$W_{\mathrm{LED}}=0.16\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=48\ \mathrm{kW·h}$
节省的电能：$\Delta W=240\ \mathrm{kW·h}-48\ \mathrm{kW·h}=192\ \mathrm{kW·h}$
答：一间教室平均每月(按30天计)能节省的电能为$192\ \mathrm{kW·h}$
解析
【分析】
1. 第(1)问：根据半导体材料的应用可知，发光二极管由半导体制成；由于发光二极管具有单向导电性，只有电流方向固定的直流电才能保证其正常导通发光，因此LED驱动器需输出直流电。
2. 第(2)问：结合丁图的I-U图像分析各选项：通过计算不同电压下的电阻可知，LED的电阻随电压增大而减小；根据P=UI，电压和电流均增大时电功率增大；图丙中滑片左移，变阻器电阻减小，电路电流增大，由I-U图像可知LED的电压随电流增大而增大，故电压表示数增大；对调电源正负极后LED断路，电压表测电源电压，示数不为零，据此判断选项。
3. 第(3)问：对比单个LED额定电压和LED驱动器的输出电压范围，12个LED串联总电压超过驱动器最大输出电压，因此需并联；并联时每个LED电压相同，为保证每个LED的电流一致以正常发光，驱动器选择恒流输出模式；根据驱动效率和LED的总输出功率计算额定输入功率。
4. 第(4)问：先利用电能表参数计算20盏白炽灯的总功率，再分别计算30天内白炽灯和吸顶灯消耗的总电能，两者的差值即为节省的电能。
【解析】
(1) 发光二极管主要由半导体材料制成；由于发光二极管具有单向导电性，只有电流方向固定的直流电才能使其正常工作，因此LED驱动器应输出直流。
(2) 对各选项逐一分析：
A选项：由丁图的I-U图像，取$U_1=2\ \mathrm{V}$时$I_1=20\ \mathrm{mA}=0.02\ \mathrm{A}$，此时$R_1=\frac{U_1}{I_1}=\frac{2\ \mathrm{V}}{0.02\ \mathrm{A}}=100\ \Omega$；取$U_2=3\ \mathrm{V}$时$I_2=60\ \mathrm{mA}=0.06\ \mathrm{A}$，此时$R_2=\frac{U_2}{I_2}=\frac{3\ \mathrm{V}}{0.06\ \mathrm{A}}=50\ \Omega$，可见LED的电阻随两端电压的增大而减小，A错误。
B选项：根据P=UI，LED的电压和电流均增大时，其电功率会增大，B错误。
C选项：图丙中LED与滑动变阻器串联，电压表测LED两端电压。滑片P左移，滑动变阻器接入电阻减小，电路总电阻减小，电流增大；由丁图的I-U图像可知，电流增大时LED两端电压增大，因此电压表示数增大，C正确。
D选项：对调电源正负极后，LED处于断路状态，电压表并联在电源两端，示数接近电源电压$4.5\ \mathrm{V}$，不为零，D错误。
综上，选C。
(3) 单个LED的额定电压为$3\ \mathrm{V}$，若12个LED串联，总电压为$12×3\ \mathrm{V}=36\ \mathrm{V}$，超过LED驱动器的最大输出电压$25\ \mathrm{V}$，因此12个LED应并联；并联时每个LED两端电压相同，为确保每个LED的电流一致以正常发光，驱动器会选择恒流输出模式；根据驱动效率和LED的总输出功率计算可得，此吸顶灯的额定输入功率为$8\ \mathrm{W}$。
(4) 计算节省的电能：
① 计算20盏白炽灯的总功率：
电能表转16r消耗的电能：$W_1=\frac{16}{1200}\ \mathrm{kW·h}=\frac{1}{75}\ \mathrm{kW·h}$
时间$t_1=1\ \mathrm{min}=\frac{1}{60}\ \mathrm{h}$
白炽灯总功率：$P_1=\frac{W_1}{t_1}=\frac{\frac{1}{75}\ \mathrm{kW·h}}{\frac{1}{60}\ \mathrm{h}}=0.8\ \mathrm{kW}$
② 计算30天白炽灯消耗的电能：
$W_{\mathrm{白}}=P_1×t×30=0.8\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=240\ \mathrm{kW·h}$
③ 计算20盏吸顶灯的总功率及30天消耗的电能：
$P_{\mathrm{LED}}=2$
1. 第(1)问：根据半导体材料的应用可知，发光二极管由半导体制成；由于发光二极管具有单向导电性，只有电流方向固定的直流电才能保证其正常导通发光，因此LED驱动器需输出直流电。
2. 第(2)问：结合丁图的I-U图像分析各选项：通过计算不同电压下的电阻可知，LED的电阻随电压增大而减小；根据P=UI，电压和电流均增大时电功率增大；图丙中滑片左移，变阻器电阻减小，电路电流增大，由I-U图像可知LED的电压随电流增大而增大，故电压表示数增大；对调电源正负极后LED断路，电压表测电源电压，示数不为零，据此判断选项。
3. 第(3)问：对比单个LED额定电压和LED驱动器的输出电压范围，12个LED串联总电压超过驱动器最大输出电压，因此需并联；并联时每个LED电压相同，为保证每个LED的电流一致以正常发光，驱动器选择恒流输出模式；根据驱动效率和LED的总输出功率计算额定输入功率。
4. 第(4)问：先利用电能表参数计算20盏白炽灯的总功率，再分别计算30天内白炽灯和吸顶灯消耗的总电能，两者的差值即为节省的电能。
【解析】
(1) 发光二极管主要由半导体材料制成；由于发光二极管具有单向导电性，只有电流方向固定的直流电才能使其正常工作，因此LED驱动器应输出直流。
(2) 对各选项逐一分析：
A选项：由丁图的I-U图像，取$U_1=2\ \mathrm{V}$时$I_1=20\ \mathrm{mA}=0.02\ \mathrm{A}$，此时$R_1=\frac{U_1}{I_1}=\frac{2\ \mathrm{V}}{0.02\ \mathrm{A}}=100\ \Omega$；取$U_2=3\ \mathrm{V}$时$I_2=60\ \mathrm{mA}=0.06\ \mathrm{A}$，此时$R_2=\frac{U_2}{I_2}=\frac{3\ \mathrm{V}}{0.06\ \mathrm{A}}=50\ \Omega$，可见LED的电阻随两端电压的增大而减小，A错误。
B选项：根据P=UI，LED的电压和电流均增大时，其电功率会增大，B错误。
C选项：图丙中LED与滑动变阻器串联，电压表测LED两端电压。滑片P左移，滑动变阻器接入电阻减小，电路总电阻减小，电流增大；由丁图的I-U图像可知，电流增大时LED两端电压增大，因此电压表示数增大，C正确。
D选项：对调电源正负极后，LED处于断路状态，电压表并联在电源两端，示数接近电源电压$4.5\ \mathrm{V}$，不为零，D错误。
综上，选C。
(3) 单个LED的额定电压为$3\ \mathrm{V}$，若12个LED串联，总电压为$12×3\ \mathrm{V}=36\ \mathrm{V}$，超过LED驱动器的最大输出电压$25\ \mathrm{V}$，因此12个LED应并联；并联时每个LED两端电压相同，为确保每个LED的电流一致以正常发光，驱动器会选择恒流输出模式；根据驱动效率和LED的总输出功率计算可得，此吸顶灯的额定输入功率为$8\ \mathrm{W}$。
(4) 计算节省的电能：
① 计算20盏白炽灯的总功率：
电能表转16r消耗的电能：$W_1=\frac{16}{1200}\ \mathrm{kW·h}=\frac{1}{75}\ \mathrm{kW·h}$
时间$t_1=1\ \mathrm{min}=\frac{1}{60}\ \mathrm{h}$
白炽灯总功率：$P_1=\frac{W_1}{t_1}=\frac{\frac{1}{75}\ \mathrm{kW·h}}{\frac{1}{60}\ \mathrm{h}}=0.8\ \mathrm{kW}$
② 计算30天白炽灯消耗的电能：
$W_{\mathrm{白}}=P_1×t×30=0.8\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=240\ \mathrm{kW·h}$
③ 计算20盏吸顶灯的总功率及30天消耗的电能：
$P_{\mathrm{LED}}=2$
